Прорыв в китайской программе «искусственного солнца»

Китайская программа «искусственного солнца» преодолела одно из самых сложных инженерных препятствий: два полностью разработанных внутри страны сверхпроводящих магнита, являющихся основными компонентами термоядерного реактора, прошли экспертную оценку и полнопараметрические испытания в Институте физики плазмы Китайской академии наук (ASIPP). Это знаменует собой важный шаг в стремлении страны превратить управляемый термоядерный синтез из лабораторной науки в работающий источник энергии.

Крупнейший в мире тороидальный магнит

Новый тороидальный сверхпроводящий магнит имеет D-образную конструкцию длиной 21 метр, шириной 12 метров и весом 582 тонны. Это самый большой сверхпроводящий магнит для термоядерного реактора из когда‑либо построенных.
По объёму он в 1,3 раза превосходит магниты Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER), а по энергоёмкости — в 3 раза. Шестнадцать таких катушек в конечном счёте образуют кольцо, генерирующее магнитное поле напряжённостью 6,5 Тесла в центре плазмы.

«Его задача — использовать мощное магнитное поле для удержания плазмы, чтобы этот 100-миллионноградусный "огненный шар" оставался подвешенным внутри вакуумной камеры, не касаясь стенок. Он работает как невидимая, чрезвычайно прочная магнитная клетка»,
— рассказал У Ю, исследователь из ASIPP.

Высокотемпературная центральная соленоидная катушка

В тот же день полные параметрические испытания прошла высокотемпературная сверхпроводящая центральная соленоидная катушка, которую исследователь ASIPP Цинь Цзинган сравнил с «зажигательной свечой автомобильного двигателя».

Данные испытаний показали:

• стабильный пропускаемый ток;

• ключевые показатели (запасённая энергия, максимальная скорость нарастания поля, сопротивление соединения) достигли лучших в мире значений.

Являясь «энергетическим сердцем» китайской компактной экспериментальной установки для термоядерного синтеза, катушка индуцирует и приводит в движение плазменный ток, напрямую определяя, сможет ли реактор загореться и стабильно работать.

Полная локализация и технологическая независимость

Сун Юньтао, директор ASIPP, подчеркнул, что основная ценность этих двух прорывов — в полной самодостаточности всей системы:

«Начиная с основных сырьевых материалов (сверхпроводящие ленты, высокопрочная криогенная нержавеющая сталь, специальные изоляционные материалы) и заканчивая полным комплексом процессов (проектирование конструкции, прецизионная намотка, изготовление соединений со сверхнизким сопротивлением, защита от перегрева) — мы полностью разрушили зарубежные технологические монополии и достигли 100‑процентной локализации, исключив риск возникновения проблем с основными компонентами».

Шестилетний проект принёс 47 патентов и 25 отраслевых стандартов.

Инженерная точность и надёжность на десятилетия

За этим массивным оборудованием стоит исключительная точность.
У Ю отметил, что магниты термоядерного реактора должны надёжно работать в течение полных 60 лет при температуре –268,95 °C в условиях высокого тока, интенсивного излучения и сильных механических нагрузок, что расширяет границы материаловедения.

• В процессе термообработки ниобий-оловянных сверхпроводников отклонение температуры всего на несколько градусов может привести к резкому ухудшению характеристик. Поддержание равномерной температуры в печи, содержащей катушки размером более 10 метров, само по себе является передовым инженерным достижением.

Команда также снизила внутреннее сопротивление соединений до 0,04 наноом — это фактически означает нулевые потери при токах в диапазоне 100 килоампер. При этом образцы проводников выдержали более тысячи электромагнитных и термических циклов при температуре 4,2 Кельвина, превзойдя расчётные значения.

«Речь идёт не о прохождении одного цикла испытаний, а о сохранении надежности после многократных испытаний в экстремальных условиях. Мы создаём оборудование, которое должно прослужить 60 лет, и тщательность проверки сама по себе является наивысшим показателем надёжности», — добавил У Ю.

Снижение стоимости и прорыв в технологиях

Группа разработчиков центральной соленоидной катушки, которой шесть лет назад была поставлена двойная задача — повысить производительность и снизить затраты, — преодолела более 10 ключевых технологических препятствий (включая высокотоковые высокотемпературные сверхпроводящие проводники и защиту от гашения).
В результате стоимость некогда непомерно дорогой высокотемпературной сверхпроводящей ленты снижена с 400 юаней (56 долларов США) за метр до 100 юаней, что устранило ключевое препятствие на пути к экономической целесообразности будущих устройств.

Влияние на национальную промышленность

Эти прорывы активизировали всю цепочку развития отечественной термоядерной промышленности: множество ведущих предприятий взялись за сверхпроводящие материалы, специальные конструкционные компоненты, системную интеграцию и высокоточное производство, перейдя от «поставки для международных проектов» к самостоятельной разработке полных комплектов основного оборудования.

Богатый опыт и участие в международных проектах

Прорывы в области магнитов основаны на десятилетиях накопленного опыта.
Китайский экспериментальный сверхпроводящий токамак (ITER) установил мировой рекорд, поддерживая температуру плазмы на уровне 100 миллионов К в течение 1066 секунд в стационарном режиме высокого удержания — результат 22 раундов физических экспериментов и 160 000 раундов испытаний.

Как ключевой участник проекта ITER, Китай взял на себя более 9 % разработки основных компонентов проекта, и вся поставленная продукция прошла международную оценку.

Дорожная карта Китая по термоядерному синтезу

В соответствии с трёхэтапной дорожной картой:

• К концу 2027 года планируется завершить экспериментальный сверхпроводящий токамак с горящей плазмой.

• Примерно к 2030 году — начало выработки термоядерной энергии.

• Затем последует строительство Китайского демонстрационного реактора термоядерной инженерии, который должен стать первой в мире демонстрационной термоядерной электростанцией.

Взгляд в будущее

Цинь Цзинган предупредил, что успешные испытания магнитов составляют около 80 % задачи. Полная сборка установки и долгосрочные эксплуатационные испытания в экстремальных условиях ещё впереди.

«Путь к коммерциализации термоядерной энергии ещё долог, но каждый ключевой технологический прорыв сокращает расстояние между человечеством и конечной чистой энергией», — заключил он.